[发明专利]一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法

权利要求书

1.一种激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1. 基于自由电子的电离过程，构建自由电子密度的变化公式如下：

其中，N（t）—自由电子密度，t—时间，n_e（t）—受激自由电子密度，I（t）—入射激光光强度(W/cm²)，W_PI（I（t））—光致电离率(s^-1·cm^-2)，W_II（I（t））—碰撞电离率（s^-1·cm^-3）；W_rel（n_e（t），t）—离子体能量衰减项(s^-1·cm^-3)；

步骤2. 根据激光器芯片腔膜损伤后的样本整理分析，将缺陷分为微划痕、微裂纹、微凹坑，并分别对缺陷模型进行激光辐照下的仿真；

步骤3. 模拟激光辐照下的缺陷物体的电场散射状态，获取缺陷处的电场分布：在FDTDSolutions中直接设置入射激光光源的入射角度，对缺陷分别进行激光辐照仿真，模拟激光器的工作过程；

步骤4. 根据步骤3中获取的最大电场求取芯片腔膜处的光强，再将光强数据代入步骤1中确定的自由电子密度公式中，计算带缺陷的激光器芯片腔面的最大自由电子密度，光强计算公式如下：

其中，ε为介电常数；μ为磁导率；E为电场强度；

步骤5. 将步骤4中获得的自由电子密度与临界自由电子密度n_cr比较，当自由电子密度与临界自由电子密度n_cr相等时，记此时的光强为I_th，将I_th对应的的激光能量密度作为损伤阈值，记为F_th；

计算带微缺陷的激光器芯片腔膜的损伤阈值F_th，公式如下：

式中，τ为激光脉宽的宽度（us）；

步骤6. 对损伤的发展作出预测：计算网格损伤能量F_sh，作为网格损伤与否的判断标准，进行损伤迭代，计算能量传递，对损伤的发展作出预测。

2.根据权利要求1所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤2的对缺陷模型进行激光辐照下的仿真基于FDTD Solution软件，步骤如下：

步骤2.1 确定缺陷几何结构，然后依次确定总场、网格区域、光源、散射场以及仿真区域；

步骤2.2 材料参数拟合：在设置整体区域和网格参数后，由材料参数拟合功能来判断参数设置是否合理，如若不合理，重复步骤2.1重新调节参数；当参数设置合理后，存储数据并开始仿真。

3.根据权利要求1或2所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤5中的临界自由电子密度n_cr的计算公式如下：

式中： e—电子元电荷（C）；ε₀—自由空间介电常数（F·m^-1）；m_e—有效电子质量（电子/空穴约化质量，kg）；—约化电子质量，等于3.0m_e；ω—入射激光角频率（rad/s）。

4.根据权利要求3所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤6中的迭代计算能力传递的公式如下：

式中，E_max，0—激光场中的初始总能量；E_max—实际迭代步骤中的初始总能量；W_emitter—入射激光的宽度；W_damage—能量超过损伤阈值的所有网格的宽度。

5.根据权利要求4所述的激光器芯片腔面微缺陷的损伤发展预测方法，其特征在于：所述步骤6中对损伤进行预测的方法包括以下步骤：

步骤6.1 设定网格坐标，并对划分后的网格进行坐标设置，设定初始网格，即假定有一个初始能量大于损伤阈值的网格，并设置初始网格坐标为（x,y）；

步骤6.2 判断传播方向：判断与初始网格最邻近且接触面最广的三个网格的能量是否大于网格损伤阈值，并确定能量大于损伤阈值的周围网格与初始网格的位置关系；

步骤6.3 判断损伤：若没有损伤网格坐标输出，结束预测，判定为无损伤；若有损伤网格坐标输出，确定坐标输出对应的损伤网格周围与损伤网格最邻近且未发生损伤的网格的坐标，并将未发生损伤的网格的坐标作为下一次判断是否发生损伤的目标网格，循环迭代判断，对损伤发展作出预测；循环单迭代判断结束的条件为目标网格周围的所有网格的网格能量均小于网格能量损伤阈值。